درسنامه آموزشی مونتاژ و دمونتاژ اس ام دی و مستندسازی کلاس یازدهم الکترونیک

واحد یادگیری 3: نصب قطعات SMD

آیا تا به حال فکر کرده‌اید

- چگونه می‌توانیم قطعات SMD را مونتاژ کنیم؟
- اتصال یک قطعه SMD بعد از مونتاژ چه ویژگی‌هایی باید داشته باشد؟
- برای مونتاژ قطعات SMD از چه موادی استفاده می‌شود؟
- برای مونتاژ قطعات SMD چه روش‌هایی وجود دارد؟
- برای مونتاژ قطعات SMD از چه ابزارها و تجهیزاتی استفاده می‌شود؟
- مونتاژ قطعات الکترونیکی SMD با مونتاژ قطعات مجزا (discrete) چه تفاوت‌هایی دارد؟ 
- چرا تقریباً در همه دستگاه‌های الکترونیکی به روز از قطعات SMD استفاده شده است؟

پس از اتمام این واحد یادگیری، فراگیرنده باید علاوه بر کسب مهارت در انتخاب روش‌های مونتاژ این نوع قطعات و به‌کارگیری ابزارهای مورد نیاز، مهارت لازم را در اجرای مونتاژکاری قطعات نصب سطحی کسب کند. یادآور می‌شود که مونتاژ قطعات SMD با سه روش دستی، اتوماتیک و نیمه اتوماتیک صورت می‌گیرد. در این واحد یادگیری تأکید بر مونتاژ قطعات به‌صورت دستی داریم. نکات ایمنی و بهداشت و مهارت‌های غیر فنی مانند مسئولیت‌پذیری، کارگروهی، نظم در کار، توجه به محیط زیست و اخلاق حرفه‌ای با توجه به اهمیتی که دارد باید در تمام موارد رعایت شود.

استاندارد عملکرد

نصب قطعات SMD روی برد اوراقی براساس استانداردهای تعریف شده

مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز

هویه قلمی-هویه هوای گرم-هویه پنسی-خمیر قلع (لحیم)-مایع فلاَکس (روغن لحیم)-سیم لحیم-روغن لحیم-قلع کش-پایه هویه-اسفنج مخصوص پاک کننده نوک هویه-فیبر اوراقی SMD-لوازم التحریر-سنباده-پنس-دستمال نخی

کارگاه‌های مونتاژ دستی بردهای الکترونیکی

در این کارگاه‌ها تمام کارها توسط اپراتور و به‌صورت دستی انجام می‌شود. شخصی که در این نوع کارگاه‌ها کار می‌کند را مونتاژکار قطعات الکترونیکی می‌نامند. در فرایند مونتاژ، قطعات را به‌صورت دستی روی برد می‌گذارند و عمل لحیم‌کاری را با هویه یا هویه هوای گرم (داغ) به‌صورت دستی انجام می‌دهند. شکل 1-3 یک نمونه مونتاژ دستی قطعات الکترونیکی را نشان می‌دهد.

در شکل 2-3 نمونه دیگری از مونتاژ دستی برد الکترونیکی تلفیقی SMD و TH را ملاحظه می‌کنید.

لحیم‌کاری دستی قطعات SMD را با دو روش استفاده از هویه معمولی و هویه هوای گرم و خمیر قلع انجام می‌دهند، شکل 3-3 تصویر یک نمونه مونتاژ دستی قطعات SMD را نشان می‌دهد.

لحیم‌کاری قطعات SMD با استفاده از هویه

در این روش ابتدا سطوح مورد نظر را به فلاکس یا روغن لحیم آغشته می‌کنند. سپس لایه‌ای از قلع، یا خمیر قلع روی آن می‌گذارند. سپس قطعه را در محل مربوطه قرار می‌دهند در انتها به وسیله هویه مخصوص SMD و لحیم یا خمیر لحیم پایه‌ها را قلع اندود می‌کنند. محل قرار گرفتن پایه‌های قطعات باید یکنواخت و بدون اتصال به یکدیگر باشد و حالت برجسته و براق پیدا کند. در روش دیگر اجرا، محل قرار گرفتن قطعات روی برد مدار چاپی را هم قلع اندود می‌کنند سپس قطعه را روی برد می‌گذارند و عمل لحیم‌کاری را انجام می‌دهند. مراحل اجرای کار به شرح زیر است:

- آغشته کردن محل لحیم‌کاری به ماده فلاَکس یا روغن لحیم شکل 4-3

- قلع اندود کردن محل پایه‌ها با استفاده از هویه، لحیم مفتولی یا خمیر قلع (لحیم)، شکل 5-3 

- به وسیله حلال مناسب پاک‌کننده، مانند بنزین، الکل، تینر یا اسپری‌های مخصوص پاک کردن برد، محل قطعه و اطراف آن را با مسواک شست‌وشو دهید. سپس قبل از اینکه حلال تبخیر شود از ابرهای اسفنجی استفاده کنید و آن را با فشار زیاد روی سطح برد بکشید تا سطح لحیم‌کاری شده از روغن لحیم و ذرات ریز پاک شود، شکل 6-3

- با کمک پنس، قطعه یا IC مورد نظر را در محل خود تنظیم کنید.

- در فرایند لحیم‌کاری ابتدا یک یا دو پایه قطعه را با استفاده از هویه در محل خود کمی فشار دهید تا در قلع ذوب شده و آی‌سی در محل خود محکم شود.

- بعد از بازبینی و کسب اطمینان از اینکه IC در محل صحیح خود قرار دارد، سایر پایه‌ها را به همین ترتیب لحیم کنید.

- صحت تنظیم دقیق در محل نصب قطعه بسیار مهم است و معمولا اگر در مرحله‌ای که یک یا دو پایه را محکم می‌کنید قطعه به درستی تنظیم نشده باشد می‌توانید با استفاده از قلع با قطر کم دوباره لحیم‌کاری کنید.

- اگر احتمالا دو پایه به صورت ناخواسته به هم بچسبند، به کمک قلع‌کش مناسب می‌توانید لحیم‌های اضافی را بردارید. همچنین با استفاده از فتیله لحیم آغشته به روغن لحیم و هویه، می‌توانید لحیم‌های اضافی را از بین دو پایه بردارید.

از آنجا که در فصل قبل با تجهیزات مربوط به لحیم‌کاری آشنا شده‌اید، با نکات ایمنی و بهداشتی مربوط به آن نیز آشنا هستید. لذا ضرورت دارد کلیه موارد ایمنی و بهداشتی را به طور کامل رعایت کنید.

لحیم‌کاری با استفاده از خمیرلحیم و هویه هوای گرم

در این روش به جای قلع مفتولی از خمیر قلع و به جای هویه از هویه هوای گرم استفاده می‌شود. خمیر لحیم ترکیبی از قلع و مایع روغن لحیم (فلاَکس) است که با گرم کردن آن مایع روغن لحیم (فلاَکس) تبخیر شده و قلع باقی می‌ماند. در واقع روغن لحیم سطح کار را تمیز و عملیات لحیم‌کاری را آسان می‌کند. شکل 7-3 نمونه‌ای از روغن مخصوص و شکل 8-3 نمونه‌ای از خمیر لحیم را نشان می‌دهد.

مراحل اجرای لحیم‌کاری با هویه هوای گرم

برای لحیم‌کاری با روش هویه هوای گرم باید ابتدا سطح برد را به وسیله مواد پاک‌کننده تمیز کنید، سپس لایه‌ای نازک از خمیر لحیم روی تمامی پدها قرار دهید. ضخامت این لایه باید در حدی باشد که بتوانید سطح PCB و پدها را ببینید، شکل 9-3. این مرحله را اندودکردن برد با خمیر لحیم می‌نامند.

- بعد از مرحله تمیزکاری و اضافه کردن خمیر لحیم قطعه را به کمک پنس در مکان خود به گونه‌ای قراردهید که هر پایه بر روی پد مخصوص خود قرارگیرد. قطعه را باید نگه دارید تا دراثر جریان هوای گرم جابه‌جا نشود، توجه داشته باشید که پنس در لحیم‌کاری و هوادهی بسیار داغ خواهد شد. بنابراین باید از پنسی استفاده کنید که دستگیره غیر فلزی داشته باشد.

- نازل هویه را در فاصلۀ 8 سانتی‌متری از قطعه به مدت 20 تا 40 ثانیه نگه دارید تا هوادهی انجام شود. در اثر هوای گرم خمیر کاملاً ذوب می‌شود. پس از اطمینان از اینکه قطعه دقیقاً در محل خود قرار دارد، نازل را به تدریج دور کنید. قطعه را آنقدر نگه دارید تا محل اتصال‌های لحیم‌کاری شده، خنک و محکم شود، شکل 10-3.

- پس از اتمام لحیم کاری محل‌های اتصال را بازرسی کنید. در این بازبینی لازم است تمام پدها با دقت بررسی شود. پایه‌ها باید محکم لحیم شده باشد و نباید قلع اضافی سبب اتصال دو پایه به هم شود. درصورت وجود قلع اضافی به کمک قلع کش و فتیله لحیم قلع اضافی را بردارید.

دستگاه‌های مونتاژ تمام خودکار (اتوماتیک)

در این روش تمام فرایند مونتاژ به‌صورت خودکار توسط ماشین انجام می‌شود. در این فرایند فایل مدار طراحی شده با نرم افزارهای روی کامپیوتر دستگاه تمام اتوماتیک بارگذاری می‌شود، شکل 11-3. برد مدار چاپی نیز با توجه به راهنمای استفاده از دستگاه در محل مخصوص قرار می‌گیرد. قطعات که قسمت عمده آن نوع SMD است از طریق درگاه‌های تغذیه قطعه روی دستگاه قرار می‌گیرند. قطعات معمولاً روی لایه‌های مقوا یا کاغذ به شکل نواری نصب شده و به صورت حلقه (رول) بسته‌بندی شده‌اند. این رول‌ها در محل‌های مخصوص روی دستگاه قرار می‌گیرد. برد مدار چاپی که روی یک نقاله قرار گرفته است وارد قسمت پرینتر خمیر لحیم می‌شود. دستگاه ابتدا خمیر لحیم را در محل‌های مسی مدار، چاپ می‌کند سپس برد روی نقاله حرکت کرده و وارد قسمت قطعه‌گذاری (pick and place) می‌شود. در این قسمت قطعات SMD به وسیله ربات از روی نوارهای قطعات برداشته می‌شود و در محل صحیح خود قرار می‌گیرد و پس از نصب کامل قطعات، نقاله برد را به سمت کوره دستگاه می‌برد. در کوره خمیر لحیم ذوب شده و عمل لحیم‌کاری صورت می‌گیرد و پس از اتمام کار برد به آرامی به بیرون هدایت می‌شود.

کارگاه‌های مونتاژ نیمه اتوماتیک

در این کارگاه‌ها قسمت اعظم فرایند عملیات به صورت دستی اما با کمک برخی ماشین آلات صورت می‌گیرد. معمولاً بردهای تولیدی در این کارگاه‌ها دارای ترکیبی از قطعات TH و SMD هستند. مراحل مونتاژ یک مدار الکترونیکی در کارگاه‌های نیمه اتوماتیک به شرح زیر است: 

- اندود کردن برد با خمیر لحیم
- قطعه گذاری قطعات SMD
- ذوب خمیر لحیم و لحیم کاری قطعات SMD
- مونتاژ دستی قطعات TH
- کنترل کیفی یا QC

مرحله اول اندود کردن برد با خمیر لحیم:

برای مونتاژ قطعات SMD باید با خمیر لحیم، برد را خمیر اندود کنید. خمیر لحیم به رنگ خاکستری است. این خمیر باید قبل از قطعه‌گذاری روی تمام پدهایی که قطعه سوار می‌شود قرار گیرد. خمیر اندود کردن برد مدار چاپی به دو صورت انجام می‌شود.

با استفاده از شابلون

روش شابلون شبیه چاپ سیلک است. در این روش از یک شابلون فلزی استفاده می‌شود. روی شابلون، محل پایه قطعاتی که باید مونتاژ شود برش خورده است. پس از ثابت کردن شابلون روی PCB شکل 12-3 خمیر لحیم را روی آن قرار می‌دهند و تمام منافذ و حفره‌هایی که مشخص کننده محل پایه‌ها است را با خمیر لحیم پر می‌کنند. به این عمل خمیر اندود کردن می‌گویند.

با استفاده از دستگاه پرینتر خمیرلحیم:

در روش پرینتر خمیر لحیم از یک دستگاه خودکار برای خمیر اندود کردن برد استفاده می‌شود. در این روش نقشه مدار چاپی به پرینتر بارگذاری می‌شود و پرینتر خمیر لحیم را در محل‌های مورد نظر قرار می‌دهد، شکل 13-3

مرحله دوم قطعه گذاری قطعات SMD:

بعد از اینکه خمیر در محل‌های مناسب قرار گرفت، قطعه‌گذاری می‌کنیم. قطعه‌گذاری کاری بسیار ساده ولی بسیار حساس است. به دو روش می‌توانیم قطعه گذاری قطعات SMD را انجام دهیم.

- در روش اول قطعات SMD را با دست و با استفاده از یک پنس با دقت در محل‌های خود چیدمان می‌کنیم.

برای انجام این کار دو نوع پنس وجود دارد. یکی پنس معمولی است که قطعه توسط آن برداشته می‌شود و بدون اعمال حرارت در محل خود قرار می‌گیرد. پس از استقرار همه قطعات، برد را در داخل کوره قرار می‌دهند. دومین نوع هویه پنسی است که علاوه بر نگه داشتن قطعه، بعد از جاگذاری می‌تواند با اعمال حرارت عمل لحیم‌کاری را نیز انجام دهد. در شکل 14-3 پنس معمولی و هویه پنسی نشان داده شده است.

توجه داشته باشید که در بردهای الکترونیکی بزرگ، به خاطر تکراری بودن و خسته شدن از فرایند مونتاژ، بهتر است برای تولید انبوه بردها از روش جایگذاری به کمک دستگاه خودکار Pick And Place استفاده کرد.

دستگاه خودکار Pick And Place:

این دستگاه در واقع یک ربات است که با استفاده از مکش هوا قطعات را بر می‌دارد و در جای خود قرار می‌دهد. برای راه‌اندازی اولیه دستگاه باید راهنمای کاربرد دستگاه را با دقت مطالعه کرد و فرایند تنظیمات آن را در طی یک دوره کارآموزی کوتاه مدت فرا گرفت تا برنامه ریزی دستگاه و اجرای تنظیمات اولیه، جایگذاری و محکم کردن برد PCB و قرار دادن رول‌های قطعات برد در محل خود با دقت و به ترتیب صحیح انجام شود. بعد از انجام تنظیم‌ها و راه‌اندازی دستگاه‌ها شما می‌توانید با سرعت بسیار بالایی شروع به چیدمان قطعات برد با تعداد تولید آن با تیراژ بسیار نمایید. استفاده از دستگاه Pick And Place برای تولید انبوه با صرفه است و برای تولید برد با تعداد کمتر، مثلاً روزی 20 عدد با روش قطعه‌گذاری دستی مقرون به صرفه‌تر و سریع‌تر است. در شکل 16-3 نمونه‌هایی از دستگاه پیک اَند پِلیس را مشاهده می‌کنید.

مرحله سوم ذوب خمیر لحیم:

بعد از قطعه‌گذاری به‌صورت دستی یا به وسیله دستگاه باید خمیر لحیم ذوب شود تا عمل لحیم‌کاری اتفاق بیفتد. ذوب کردن خمیر لحیم در کوره ذوب لحیم صورت می‌گیرد. این دستگاه با استفاده از امواج مادون قرمز دمای بردها را تا 250 درجه سانتی گراد بالا می‌برد. پس از ذوب شدن خمیر لحیم دما را به‌صورت کنترل شده پایین می‌آورد. واحد کنترل دما در زمان پایین آمدن درجه حرارت، از انبساط ناگهانی و جابه‌جایی قطعات و ایجاد ترک در محل‌های لحیم‌کاری شده جلوگیری می‌کند. شکل 18-3 یک نمونه دستگاه کوره ذوب خمیر لحیم را نشان می‌دهد.

کوره‌های مادون قرمز در انواع مختلف و با امکانات و توان‌های متفاوت ساخته می‌شود. انتخاب توان کوره با توجه به نیاز و حجم تولید صورت می‌گیرد. پس از سرد شدن کوره برد آماده می‌شود و می‌توانید آن را از کوره خارج کرده و مورد بهره‌برداری قرار دهید. بعضی بردها دو طرفه هستند یعنی در هر دو طرف برد قطعه SMD قرار می‌گیرد. در این موارد ابتدا طرفی را که تعداد قطعات کمتری دارد مونتاژ می‌کنند. سپس طرف دیگر برد را خمیر اندود کنید و مراحل را تکرار نمایید. توصیه می‌شود قبل از اینکه برد را دوباره در کوره قرار دهید طرف اول برد که لحیم‌کاری شده است را با استفاده از چسب مخصوص بپوشانید. چسب زدن مانع جابه‌جا شدن قطعات در زمان گرم شدن برد می‌شود.

مرحله چهارم لحیم‌کاری قطعات TH:

پس از لحیم شدن قطعات SMD قطعات TH باید به صورت دستی چیدمان شده و به وسیله هویه لحیم‌کاری شوند، شکل 19-3. در تولیدات انبوه این نوع بردها از وان قلع برای لحیم‌کاری قطعات TH نیز می‌توان استفاده کرد.

مرحله پنجم آزمایش و کنترل کیفی (QC) برد: 

در تولید با حجم بالا برای بازرسی بردها از دستگاه‌های خودکار استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها کیفیت لحیم‌کاری، اتصالات نابه‌جا و مونتاژ اشتباه قطعات را به سرعت تشخیص می‌دهند و به کاربر اعلام می‌کنند. یادآوری می‌شود که در تولید با حجم کم، برای QC بردها نیازی به این دستگاه‌ها وجود ندارد، با بازرسی چشمی و آزمایش تک تک بردها عمل QC صورت می‌گیرد (شکل 20-3)